生物傳感器及其應(yīng)用

1、1生物傳感器生物傳感器及其在食品中的應(yīng)用及其在食品中的應(yīng)用2 一、什么是生物傳感器一、什么是生物傳感器 二、生物傳感器的構(gòu)成二、生物傳感器的構(gòu)成 三、生物傳感器的分類三、生物傳感器的分類 四、各類生物傳感器的原理四、各類生物傳感器的原理 五、生物傳感器的應(yīng)用五、生物傳感器的應(yīng)用3 一、什么是生物傳感器一、什么是生物傳感器 傳感器（電極或探頭）：能感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律將其轉(zhuǎn)換成可用信號的器件或裝置，它通常由敏感元件、轉(zhuǎn)化元件（換能器）及相應(yīng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)和線路組成。4 生物傳感器：是利用生物物質(zhì)作為敏感材生物傳感器：是利用生物物質(zhì)作為敏感材料，將所感受的生物信息轉(zhuǎn)換成電信號進(jìn)料，將所感受

2、的生物信息轉(zhuǎn)換成電信號進(jìn)行檢測的傳感器。行檢測的傳感器。某生物參數(shù)某生物參數(shù) 感受器感受器 電、熱、光電、熱、光 換能器換能器 電信號電信號處理器處理器數(shù)字量數(shù)字量5生物傳感器的特點(diǎn)：生物傳感器的特點(diǎn)： 不要求樣品的清晰度，檢測樣品一般不需要預(yù)處理不要求樣品的清晰度，檢測樣品一般不需要預(yù)處理, ,也不需另加其他試劑。樣品中被測組分的分離和檢也不需另加其他試劑。樣品中被測組分的分離和檢測可以同時(shí)完成；測可以同時(shí)完成； 選擇性高、分析速度快、操作簡易；選擇性高、分析速度快、操作簡易； 響應(yīng)快響應(yīng)快, ,樣品用量少樣品用量少, ,并且可反復(fù)多次使用；并且可反復(fù)多次使用； 靈敏度高：可檢測靈敏度高：可

3、檢測0.11.0ppm濃度的物質(zhì)，最小濃度的物質(zhì)，最小極限為極限為10-10g/mL。 穩(wěn)定性相對較差：檢測結(jié)果易受物理和化學(xué)環(huán)境因穩(wěn)定性相對較差：檢測結(jié)果易受物理和化學(xué)環(huán)境因素的影響。素的影響。 可進(jìn)行活體分析；可進(jìn)行活體分析； 可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)在線監(jiān)測可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)在線監(jiān)測, ,容易實(shí)現(xiàn)自動化測量。容易實(shí)現(xiàn)自動化測量。6二、生物傳感器的構(gòu)成二、生物傳感器的構(gòu)成 由由固定化固定化的的生物敏感材料生物敏感材料作識別元件（包作識別元件（包括酶、抗體、抗原、微生物、細(xì)胞、組織、括酶、抗體、抗原、微生物、細(xì)胞、組織、核酸等生物活性物質(zhì)）與適當(dāng)?shù)奈锢?、化核酸等生物活性物質(zhì)）與適當(dāng)?shù)奈锢?、化學(xué)換能結(jié)構(gòu)器（如氧

4、電極、光敏管、場效學(xué)換能結(jié)構(gòu)器（如氧電極、光敏管、場效應(yīng)管、壓電晶體等等）及信號放大裝置構(gòu)應(yīng)管、壓電晶體等等）及信號放大裝置構(gòu)成。成。7 工作原理：待測物質(zhì)經(jīng)擴(kuò)散作用進(jìn)入固工作原理：待測物質(zhì)經(jīng)擴(kuò)散作用進(jìn)入固定生物膜敏感層，經(jīng)定生物膜敏感層，經(jīng)分子識別分子識別而發(fā)生生而發(fā)生生物學(xué)作用，產(chǎn)生的信息如分子濃度、光、物學(xué)作用，產(chǎn)生的信息如分子濃度、光、電、熱、音等被相應(yīng)的信號轉(zhuǎn)換器變?yōu)殡?、熱、音等被相?yīng)的信號轉(zhuǎn)換器變?yōu)榭啥亢吞幚淼目啥亢吞幚淼碾娦盘栯娦盘?，再?jīng)二次儀表，再經(jīng)二次儀表放大并輸出，以電極測定其電流值或電放大并輸出，以電極測定其電流值或電壓值，從而換算出被測物質(zhì)的量或濃度。壓值，從而換算

5、出被測物質(zhì)的量或濃度。8生物膜的生物膜的成膜固定技術(shù)成膜固定技術(shù)與與傳感器器件技術(shù)傳感器器件技術(shù)是生物傳是生物傳感器的兩大關(guān)鍵支撐，決定生物傳感器的檢測質(zhì)量。感器的兩大關(guān)鍵支撐，決定生物傳感器的檢測質(zhì)量。9生物膜的成膜技術(shù)分為物理或化學(xué)方法：生物膜的成膜技術(shù)分為物理或化學(xué)方法： 物理方法有物理物理方法有物理吸附吸附與物理與物理包埋包埋。 化學(xué)方法有離子交換劑法、共價(jià)結(jié)合法、膠化學(xué)方法有離子交換劑法、共價(jià)結(jié)合法、膠聯(lián)共聚法等，通過化學(xué)作用結(jié)合固定生物分聯(lián)共聚法等，通過化學(xué)作用結(jié)合固定生物分子。子。10 傳感器器件技術(shù)：是將生物的特異關(guān)聯(lián)反傳感器器件技術(shù)：是將生物的特異關(guān)聯(lián)反應(yīng)中所伴隨的物理或化學(xué)

6、變化通過熱、電、應(yīng)中所伴隨的物理或化學(xué)變化通過熱、電、光、聲等信息載體轉(zhuǎn)換成電信號，通過放光、聲等信息載體轉(zhuǎn)換成電信號，通過放大或其他方式，傳遞到處理系統(tǒng)從而顯示大或其他方式，傳遞到處理系統(tǒng)從而顯示被檢測物質(zhì)的量或質(zhì)。被檢測物質(zhì)的量或質(zhì)。11 （一）根據(jù)換能器分類（一）根據(jù)換能器分類 換能器：換能器： 主要是主要是電化學(xué)電化學(xué)或或光學(xué)光學(xué)檢測元件檢測元件(如：電如：電流、電位測量電極、熱敏電阻、場效應(yīng)晶體管、流、電位測量電極、熱敏電阻、場效應(yīng)晶體管、壓電晶體及光纖等壓電晶體及光纖等)。三、生物傳感器的類型及原理三、生物傳感器的類型及原理12信號轉(zhuǎn)換器信號轉(zhuǎn)換器生物反應(yīng)產(chǎn)生的信號生物反應(yīng)產(chǎn)生的信

7、號電極式電極式各種電極活性物質(zhì)，如各種電極活性物質(zhì)，如O2、CO2、H+、NH4+等等熱敏電阻式熱敏電阻式熱熱光電纖維式光電纖維式光光半導(dǎo)體式半導(dǎo)體式電場電場壓電晶體式壓電晶體式氣體氣體等離子體共振式等離子體共振式 磁場磁場13（1 1） 將化學(xué)變化轉(zhuǎn)變成電信號將化學(xué)變化轉(zhuǎn)變成電信號 以酶傳感器為例以酶傳感器為例, ,酶催化特定底物發(fā)生反應(yīng)酶催化特定底物發(fā)生反應(yīng), ,從從而使而使特定生成物的量有所增減特定生成物的量有所增減，用能把這類物質(zhì)的，用能把這類物質(zhì)的量的改變轉(zhuǎn)換為電信號的裝置和固定化酶耦合量的改變轉(zhuǎn)換為電信號的裝置和固定化酶耦合, ,即構(gòu)即構(gòu)成酶傳感器。成酶傳感器。 常用轉(zhuǎn)換裝置有氧電

8、極、過氧化氫。常用轉(zhuǎn)換裝置有氧電極、過氧化氫。14（2 2）將熱變化轉(zhuǎn)換成電信號）將熱變化轉(zhuǎn)換成電信號 固定化的生物材料與相應(yīng)的被測物作用時(shí)常固定化的生物材料與相應(yīng)的被測物作用時(shí)常伴有熱的變化，例如大多數(shù)酶反應(yīng)的熱焓變化量伴有熱的變化，例如大多數(shù)酶反應(yīng)的熱焓變化量在在25-100kJ/mol25-100kJ/mol的范圍。這類生物傳感器的工作的范圍。這類生物傳感器的工作原理是把反應(yīng)的熱效應(yīng)借原理是把反應(yīng)的熱效應(yīng)借熱敏電阻熱敏電阻轉(zhuǎn)換為阻值的轉(zhuǎn)換為阻值的變化變化, ,后者通過有放大器的電橋輸入到記錄儀中。后者通過有放大器的電橋輸入到記錄儀中。15（3 3） 將光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枌⒐庑盘栟D(zhuǎn)變?yōu)殡娦?/p>

9、號 例如，過氧化氫酶例如，過氧化氫酶, ,能催化過氧化氫能催化過氧化氫/ /魯米諾體魯米諾體系發(fā)光系發(fā)光, ,因此如設(shè)法將過氧化氫酶膜附著在光纖或因此如設(shè)法將過氧化氫酶膜附著在光纖或光敏二極管的前端光敏二極管的前端, ,再和光電流測定裝置相連再和光電流測定裝置相連, ,即可即可測定過氧化氫含量。測定過氧化氫含量。 還有很多細(xì)菌能與特定底物發(fā)生反應(yīng)還有很多細(xì)菌能與特定底物發(fā)生反應(yīng), ,產(chǎn)生熒產(chǎn)生熒光，也可以用這種方法測定底物濃度。光，也可以用這種方法測定底物濃度。16 上述三類生物傳感器共同點(diǎn)：上述三類生物傳感器共同點(diǎn)： 都是將分子識別元件中的生物敏感物質(zhì)與都是將分子識別元件中的生物敏感物質(zhì)與待

10、測物發(fā)生待測物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)化學(xué)反應(yīng), ,將反應(yīng)后所產(chǎn)生的化學(xué)或?qū)⒎磻?yīng)后所產(chǎn)生的化學(xué)或物理變化再通過信號轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘栠M(jìn)行測物理變化再通過信號轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘栠M(jìn)行測量量, ,這種方式統(tǒng)稱為這種方式統(tǒng)稱為間接測量方式。間接測量方式。17（4 4） 直接產(chǎn)生電信號方式直接產(chǎn)生電信號方式 這種方式可以使酶反應(yīng)伴隨的電子轉(zhuǎn)移、微生物細(xì)胞的這種方式可以使酶反應(yīng)伴隨的電子轉(zhuǎn)移、微生物細(xì)胞的氧化直接氧化直接( (或通過電子遞體的作用或通過電子遞體的作用) )在電極表面上發(fā)生，在電極表面上發(fā)生，根據(jù)所得的電流量即可得底物濃度。根據(jù)所得的電流量即可得底物濃度。 這種方法受環(huán)境因素影響小，更穩(wěn)定。這種方法受環(huán)

11、境因素影響小，更穩(wěn)定。18（一）根據(jù)感受器的生物敏感物質(zhì)分類（一）根據(jù)感受器的生物敏感物質(zhì)分類 感受器（分子識別元件）：由具有分子識別能力感受器（分子識別元件）：由具有分子識別能力的的生物功能物質(zhì)生物功能物質(zhì)(如：酶、動植物組織切片、微生如：酶、動植物組織切片、微生物、抗原、抗體和核酸等物、抗原、抗體和核酸等)構(gòu)成。構(gòu)成。19酶傳感器酶傳感器各種酶各種酶微生物傳感器微生物傳感器微生物細(xì)胞微生物細(xì)胞細(xì)胞器傳感器細(xì)胞器傳感器細(xì)胞膜、線粒體、電子傳遞體、微細(xì)胞膜、線粒體、電子傳遞體、微粒體等細(xì)胞器粒體等細(xì)胞器組織傳感器組織傳感器細(xì)胞組織細(xì)胞組織免疫傳感器免疫傳感器抗原、抗體抗原、抗體基因（基因（DN

12、A）傳感器）傳感器核酸（核酸（DNA、RNA）201. 1. 酶電極傳感器酶電極傳感器電極式生物傳感器電極式生物傳感器 轉(zhuǎn)換器的功能電極識別被測物質(zhì)的功能固定化生物催化劑膜電極式生物傳感器的組成：電極式生物傳感器的組成：21電極活性物質(zhì) 電 極被測物質(zhì)膜生物催化劑生物催化劑酶酶 、微生物、微生物抗體、抗原抗體、抗原細(xì)胞器、細(xì)胞組織細(xì)胞器、細(xì)胞組織輸出電信號電化學(xué)反應(yīng)電極式生物傳感器原理示意圖電極式生物傳感器原理示意圖 22電極式生物傳感器原理模式：電極式生物傳感器原理模式：被測物質(zhì)被測物質(zhì) 固定化生物催化劑膜固定化生物催化劑膜 電極活性物質(zhì)電極活性物質(zhì) 電電 極極 電信號電信號 生物化學(xué)反應(yīng)生

13、物化學(xué)反應(yīng)電化學(xué)反應(yīng)電化學(xué)反應(yīng)23以葡萄糖氧化酶以葡萄糖氧化酶(GOD)(GOD)電極為例簡述其工作原電極為例簡述其工作原理：理： 在在GODGOD的催化下的催化下, ,葡萄糖被氧化生成葡萄糖葡萄糖被氧化生成葡萄糖酸和過氧化氫。酸和過氧化氫。 C C6 6H H1212O O6 6 + O + O2 2 C C6 6H H1212O O7 7 + H + H2 2O O2 2 根據(jù)上述反應(yīng)根據(jù)上述反應(yīng), 可通過可通過氧電極氧電極(測氧的消耗測氧的消耗)、過氧化氫電極過氧化氫電極(測測H2O2的產(chǎn)生的產(chǎn)生)和和pH電極電極(測測酸度變化酸度變化)來間接測定葡萄糖的含量。來間接測定葡萄糖的含量。2

14、4 葡萄糖傳感器組成：葡萄糖傳感器組成：葡萄糖氧化酶葡萄糖氧化酶聚丙烯酰胺凝膠聚丙烯酰胺凝膠 包埋法包埋法葡萄糖氧化酶膜葡萄糖氧化酶膜 氧電極氧電極葡萄糖傳感器葡萄糖傳感器25葡萄糖傳感器示意圖葡萄糖傳感器示意圖 PbPt記錄儀記錄儀空氣空氣被被測測溶溶液液電解質(zhì)溶液電解質(zhì)溶液聚四氟乙稀膜聚四氟乙稀膜固定化葡萄糖氧化酶膜固定化葡萄糖氧化酶膜氧電極氧電極葡萄糖葡萄糖 酶催化反應(yīng)酶催化反應(yīng) 電極旁電極旁O(shè)2濃度濃度電化學(xué)反應(yīng)電化學(xué)反應(yīng) 電流值電流值葡萄糖濃度葡萄糖濃度 酶膜上酶膜上 氧電極上氧電極上 主要性能：測量范圍：主要性能：測量范圍：1500 mg/L 響應(yīng)時(shí)間：響應(yīng)時(shí)間：1030 s 使用

15、壽命：使用壽命：60100 day26 最重要的酶有二類：即氧化還原酶和水解最重要的酶有二類：即氧化還原酶和水解酶。前者可以催化用氧氣或酶。前者可以催化用氧氣或NAD進(jìn)行氧化進(jìn)行氧化的物質(zhì)，后者可以催化物質(zhì)的水解反應(yīng)，的物質(zhì)，后者可以催化物質(zhì)的水解反應(yīng)，酶催化反應(yīng)過程中通常伴隨有酶催化反應(yīng)過程中通常伴隨有質(zhì)子、離子、質(zhì)子、離子、熱量、光信號、電信號或質(zhì)量熱量、光信號、電信號或質(zhì)量的變化。的變化。 大部分生物傳感器都將酶作為識別響應(yīng)的大部分生物傳感器都將酶作為識別響應(yīng)的復(fù)合系統(tǒng)。復(fù)合系統(tǒng)。27某些酶傳感器一覽表某些酶傳感器一覽表待測待測物質(zhì)物質(zhì)固定化酶固定化酶轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器測量范圍測量范圍(mg/

16、L)響應(yīng)時(shí)間響應(yīng)時(shí)間（min）穩(wěn)定性穩(wěn)定性(day)葡萄糖葡萄糖葡萄氧化酶葡萄氧化酶鉑電鉑電(H2O2)氧電極氧電極(O2)151031510215(S)10(S)60100100各種糖各種糖 蔗糖酶、變旋酶蔗糖酶、變旋酶葡萄糖氧化酶葡萄糖氧化酶氧電極氧電極(O2)1005000514乳酸乳酸乳酸脫氫酶乳酸脫氫酶燃料電極燃料電極(NADH)100030 (S)14乙醇乙醇乙醇脫氫酶乙醇脫氫酶乙醇氧化酶乙醇氧化酶原電池原電池鉑電極鉑電極(H2O2)1430尿素尿素尿酶尿酶銨電極銨電極(NH4+)氨電極氨電極(NH3)1010001010000.51242130青霉素青霉素 青霉素酶青霉素酶玻璃電

17、極玻璃電極(H+)1010000.52714L-酪氨酸酪氨酸 酪氨酸脫羧酶酪氨酸脫羧酶CO2電極電極(CO2) 101041220282.微生物傳感器微生物傳感器 在酶傳感器制造中酶傳感器制造中，首先遇到的困難就是酶的提困難就是酶的提取與精制取與精制。 微生物傳感器轉(zhuǎn)換器固定化微生物膜固定于高分子膜上微生物微生物膜作為微生物膜作為分子識別元件分子識別元件利用：利用：利用微生物細(xì)胞內(nèi)單一或多個(gè)酶的機(jī)能利用微生物細(xì)胞內(nèi)單一或多個(gè)酶的機(jī)能類似于酶傳感器；類似于酶傳感器；利用微生物的生理機(jī)能利用微生物的生理機(jī)能呼吸活性、代謝產(chǎn)物等。呼吸活性、代謝產(chǎn)物等。29（1）微生物傳感器的原理與分類）微生物傳感器

18、的原理與分類 酶活性測定型酶活性測定型以微生物酶催化反應(yīng)的以微生物酶催化反應(yīng)的活性為指標(biāo)；（類似于酶傳感器）活性為指標(biāo)；（類似于酶傳感器） 呼吸活性測定型呼吸活性測定型以微生物呼吸活性為以微生物呼吸活性為指標(biāo)；指標(biāo)； 電極活性物質(zhì)測定型電極活性物質(zhì)測定型以微生物代謝產(chǎn)以微生物代謝產(chǎn)物為指標(biāo)。物為指標(biāo)。30呼吸活性測定型呼吸活性測定型必須是必須是好氣性微生物好氣性微生物氧濃度氧濃度 氧電極氧電極 電流值電流值 COCO2 2生成生成 COCO2 2電極電極 電位值電位值 氧氧 微生物利用微生物利用的被測物質(zhì)的被測物質(zhì)好好氣氣微微生生物物膜膜31電極活性物質(zhì)測定型電極活性物質(zhì)測定型包括包括厭氧和好

19、氧微生物厭氧和好氧微生物待測物質(zhì)待測物質(zhì)固固定定化化微微生生物物膜膜 COCO2 2 CO CO2 2電極電極 電位式電位式 H H2 2 鉑陽極，鉑陽極，AgAg2 2O O2 2陰極陰極 電流式電流式 NHNH3 3 氨電極氨電極 電位式電位式 H H+ + 玻璃電極玻璃電極 電位式電位式 還原型輔酶還原型輔酶 燃料電極燃料電極 電流式電流式 32（2）微生物傳感器特點(diǎn)）微生物傳感器特點(diǎn)微生物較酶易獲得，價(jià)格相對較低；微生物較酶易獲得，價(jià)格相對較低；穩(wěn)定性好，連續(xù)使用時(shí)間可達(dá)一個(gè)月左右；穩(wěn)定性好，連續(xù)使用時(shí)間可達(dá)一個(gè)月左右；響應(yīng)時(shí)間比酶傳感器長，多數(shù)在響應(yīng)時(shí)間比酶傳感器長，多數(shù)在10分鐘左

20、右；分鐘左右；特異性較酶傳感器差。特異性較酶傳感器差。 33（3）微生物傳感器實(shí)例）微生物傳感器實(shí)例例例1：谷氨酸傳感器：谷氨酸傳感器谷氨酸脫羧酶催化谷氨酸的反應(yīng)為：谷氨酸脫羧酶催化谷氨酸的反應(yīng)為： HOOC-(CH2)2-CHNH2-COOH 谷氨酸脫羧酶谷氨酸脫羧酶 HOOC-(CH2)2-CH2NH2 + CO2測定谷氨酸傳感器電極活性的微生物膜具有較高谷氨酸脫羧酶2CO34傳感器制備傳感器制備大腸桿菌細(xì)胞大腸桿菌細(xì)胞冷凍干燥冷凍干燥用水調(diào)勻用水調(diào)勻涂布于尼龍網(wǎng)（涂布于尼龍網(wǎng)（60目，目，7mm）兩面）兩面置于置于CO2電極上電極上外用賽璐酚膜蓋住外用賽璐酚膜蓋住谷氨酸傳感器谷氨酸傳感器

21、電極膜（硅橡膠膜）細(xì)胞尼龍網(wǎng)細(xì)胞尼龍網(wǎng)(大腸桿菌大腸桿菌)賽璐酚膜賽璐酚膜 CO2 電 極35測定原理測定原理主要性能主要性能 A響應(yīng)時(shí)間：5min左右； B測量范圍：10800mg/L； C使用壽命：20day。 推算谷氨酸含量電極電位有谷氨酸不產(chǎn)生無谷氨酸222COCOCO在無氧條件下在無氧條件下 36專一性：專一性： A對谷氨酰胺有響應(yīng)對谷氨酰胺有響應(yīng)，對其它氨基酸的作用可忽略。 B葡萄糖7.9g/L、醋酸0.2g/L時(shí)，無影響。 C無機(jī)離子影響可忽略。 37例例2：氨傳感器：氨傳感器測定原理測定原理硝化菌氧化銨的反應(yīng)要消耗氧：硝化菌氧化銨的反應(yīng)要消耗氧：NH4+ + O2 硝酸菌硝酸菌

22、 NO2NO2 + O2 硝化細(xì)菌硝化細(xì)菌 NO3 NH4+ 微生物反應(yīng)微生物反應(yīng) 電極旁電極旁O(shè)2濃度濃度電化學(xué)反應(yīng)電化學(xué)反應(yīng) 電流值電流值推算推算NH4+濃度濃度 硝化菌膜上 氧電極上38傳感器制備傳感器制備活性污泥活性污泥 分離分離 硝化菌硝化菌固定于乙酸纖維素膜固定于乙酸纖維素膜安裝于氧電極上安裝于氧電極上測定銨（氨）微生物傳感器測定銨（氨）微生物傳感器 氧電極 Pt乙酸纖維素膜乙酸纖維素膜(硝化菌硝化菌)透氣膜聚四氟乙烯膜39主要特性主要特性響應(yīng)時(shí)間：2min(pH=10的緩沖溶液中)測量范圍：142 mg/L相對誤差：4%使用時(shí)間：20day40 3. 免疫傳感器免疫傳感器 （1）

23、動物的防疫機(jī)制：）動物的防疫機(jī)制：41 動物的防衛(wèi)系統(tǒng)動物的防衛(wèi)系統(tǒng)動物動物防衛(wèi)防衛(wèi)系統(tǒng)系統(tǒng)清除清除有害有害因子因子外界外界:病原體病原體體內(nèi)體內(nèi):異常細(xì)胞異常細(xì)胞維持維持內(nèi)環(huán)內(nèi)環(huán)境穩(wěn)境穩(wěn)定定42動物的免疫防線：動物的免疫防線：第一道防線（非特異性）第一道防線（非特異性）物理生化屏障：皮膚、粘膜、皮膚及粘膜分泌物、物理生化屏障：皮膚、粘膜、皮膚及粘膜分泌物、胃酸胃酸第二道防線（非特異性）第二道防線（非特異性）吞噬細(xì)胞、體液中抗菌蛋白、炎癥應(yīng)答吞噬細(xì)胞、體液中抗菌蛋白、炎癥應(yīng)答第三道防線（特異性）第三道防線（特異性）細(xì)胞免疫、細(xì)胞免疫、體液免疫（抗原抗體反應(yīng)）體液免疫（抗原抗體反應(yīng)）43抗原與抗

24、體抗原與抗體 抗原抗原(antigen, Ag)(antigen, Ag)是一類能誘導(dǎo)免疫系統(tǒng)是一類能誘導(dǎo)免疫系統(tǒng)發(fā)生發(fā)生免疫應(yīng)答免疫應(yīng)答，并能與免疫應(yīng)答的產(chǎn)物，并能與免疫應(yīng)答的產(chǎn)物( (抗抗體或效應(yīng)細(xì)胞體或效應(yīng)細(xì)胞) )發(fā)生特異性結(jié)合的物質(zhì)。發(fā)生特異性結(jié)合的物質(zhì)。 性質(zhì)：抗原具有性質(zhì)：抗原具有免疫原性免疫原性和反應(yīng)原性兩種和反應(yīng)原性兩種性質(zhì)。性質(zhì)。 44 免疫原性是指抗原刺激機(jī)體后，機(jī)體免疫免疫原性是指抗原刺激機(jī)體后，機(jī)體免疫系統(tǒng)能形成免疫應(yīng)答的產(chǎn)物的特異性免疫系統(tǒng)能形成免疫應(yīng)答的產(chǎn)物的特異性免疫反應(yīng)。反應(yīng)。 反應(yīng)原性是指產(chǎn)生的免疫應(yīng)答的產(chǎn)物與抗反應(yīng)原性是指產(chǎn)生的免疫應(yīng)答的產(chǎn)物與抗原進(jìn)行特異

25、性結(jié)合的免疫反應(yīng)。原進(jìn)行特異性結(jié)合的免疫反應(yīng)。 45 化學(xué)本質(zhì)：化學(xué)本質(zhì)： 抗原一般是蛋白質(zhì)或脂多糖，存在于細(xì)胞、抗原一般是蛋白質(zhì)或脂多糖，存在于細(xì)胞、病毒、細(xì)菌和真菌的表面及血液和組織液病毒、細(xì)菌和真菌的表面及血液和組織液中，外源性中，外源性DNA、RNA也可視為抗原物質(zhì)。也可視為抗原物質(zhì)。 抗原可分抗原可分外源性抗原外源性抗原和和內(nèi)源性抗原內(nèi)源性抗原半抗原或不全抗原：半抗原或不全抗原： 沒有免疫原性，但有免疫反應(yīng)性，與載體沒有免疫原性，但有免疫反應(yīng)性，與載體蛋白結(jié)合后有抗原性。蛋白結(jié)合后有抗原性。 嗎啡嗎啡46常常見見外外源源性性抗抗原原47抗體抗體 免疫系統(tǒng)受抗原刺激后，由被激活的淋巴細(xì)

26、胞免疫系統(tǒng)受抗原刺激后，由被激活的淋巴細(xì)胞（漿細(xì)胞）產(chǎn)生能與抗原發(fā)生特異性結(jié)合的球蛋（漿細(xì)胞）產(chǎn)生能與抗原發(fā)生特異性結(jié)合的球蛋白，這類球蛋白稱為抗體。占血漿蛋白的白，這類球蛋白稱為抗體。占血漿蛋白的20%20%。48 抗原抗體反應(yīng)：抗體與抗原能夠在動物抗原抗體反應(yīng)：抗體與抗原能夠在動物體內(nèi)體內(nèi)或或體體外外發(fā)生特異性的緊密結(jié)合。發(fā)生特異性的緊密結(jié)合。 免疫電極傳感器就是利用抗原、抗體在體免疫電極傳感器就是利用抗原、抗體在體外的特異性結(jié)合反應(yīng)。外的特異性結(jié)合反應(yīng)。4950（2）免疫電極傳感器）免疫電極傳感器 免疫電極免疫電極(immuno bioelectrode)是以免疫物質(zhì)是以免疫物質(zhì)（抗原或

27、抗體）作為敏感元件的電化學(xué)生物傳感（抗原或抗體）作為敏感元件的電化學(xué)生物傳感器器。 免疫物質(zhì)的高特異性識別使免疫電極具有很高的特異性。 根據(jù)測定過程是否需要標(biāo)記物可分為直接免疫電極（direct immuno electrode）和間接免疫電極（indirect immuno electrode）。 51直接免疫電極直接免疫電極不用任何標(biāo)記物不用任何標(biāo)記物 例如（例如（設(shè)抗體為被測物設(shè)抗體為被測物）：）：抗體抗體電信號（電壓）電信號（電壓）離子淌度變化離子通透性變化膜電位變化電導(dǎo)率變化介電常數(shù)變化固定化抗原膜電化學(xué)或電學(xué)變化電化學(xué)或電學(xué)變化電極膜電壓變化膜電壓變化特點(diǎn)：不需額外試劑，儀器要求簡

28、單，操作容易，響應(yīng)快；特點(diǎn)：不需額外試劑，儀器要求簡單，操作容易，響應(yīng)快；缺點(diǎn)：靈敏度低，因而難以作為標(biāo)準(zhǔn)檢測方法缺點(diǎn)：靈敏度低，因而難以作為標(biāo)準(zhǔn)檢測方法 。52（2）間接免疫電極）間接免疫電極需要制備酶標(biāo)抗體或酶標(biāo)抗原結(jié)合物需要制備酶標(biāo)抗體或酶標(biāo)抗原結(jié)合物 利用利用標(biāo)記物標(biāo)記物將免疫反應(yīng)的信號放大后間接將免疫反應(yīng)的信號放大后間接測定抗原或抗體，這類電極稱為間接免疫測定抗原或抗體，這類電極稱為間接免疫電極，亦稱酶聯(lián)免疫測定法（電極，亦稱酶聯(lián)免疫測定法（ELISA法）法）（enzyme linked immunoassay）。53例如（例如（設(shè)抗體為被測物設(shè)抗體為被測物）：）：推測試樣中抗體濃度

29、推測試樣中抗體濃度 抗體抗體 固定化酶標(biāo)抗原膜固定化酶標(biāo)抗原膜抗體與酶標(biāo)抗原結(jié)合抗體與酶標(biāo)抗原結(jié)合 改變酶標(biāo)抗原存在狀態(tài)改變酶標(biāo)抗原存在狀態(tài)固定化酶標(biāo)抗原膜固定化酶標(biāo)抗原膜底物底物狀態(tài)改變的酶標(biāo)抗原催化底物反應(yīng)狀態(tài)改變的酶標(biāo)抗原催化底物反應(yīng) 反應(yīng)速度與試樣中抗體濃度有關(guān)反應(yīng)速度與試樣中抗體濃度有關(guān) 54554. DNA傳感器傳感器 DNA測定主要指靶DNA的檢測、DNA序列測定和DNA雜交測定。 DNA測定在分子生物學(xué)及其基因操作研究、臨床診斷、反恐偵檢、食品安全、檢疫等方面應(yīng)用廣泛。 傳統(tǒng)的DNA檢測主要依靠膜上分子雜交和電泳，其特點(diǎn)是技術(shù)要求高，時(shí)間長、成本高、效率低。 近年來DNA傳感器

30、和DNA列陣的出現(xiàn)，使DNA的檢測大大減化。56（1）DNA傳感器的特點(diǎn)傳感器的特點(diǎn)特異性好。特異性好。穩(wěn)定性好穩(wěn)定性好離體離體DNA比蛋白質(zhì)（酶）分子穩(wěn)定。比蛋白質(zhì)（酶）分子穩(wěn)定。制備簡單，制備簡單，DNA可用儀器批量合成?？捎脙x器批量合成。DNA的操作方法具有通用性，容易標(biāo)準(zhǔn)化。的操作方法具有通用性，容易標(biāo)準(zhǔn)化。結(jié)合芯片技術(shù)，可制備結(jié)合芯片技術(shù)，可制備DNA列陣，實(shí)現(xiàn)高通量測定。列陣，實(shí)現(xiàn)高通量測定。靈敏度高，可以達(dá)到靈敏度高，可以達(dá)到10-11mol/L以上。以上。用途極其廣泛。用途極其廣泛。57（2）DNA傳感器的分類傳感器的分類按轉(zhuǎn)換器的不同可分為電極型電極型（電化學(xué)型電化學(xué)型）、光

31、學(xué)型和質(zhì)量型等。其中應(yīng)用最廣泛的電極型DNA傳感器，根據(jù)其作用原理的不同可分為五大類：A. 直接DNA電化學(xué)型（direct DNA electrochemistry）B. 間接DNA電化學(xué)型（indirect DNA electrochemistry）C. 特異性氧化還原指示劑型（specific redox indicator）D. DNA介導(dǎo)的帶電輸出型（DNA-mediated charge transport）E. 納米顆粒電化學(xué)放大型（nanoparticles electrochemical enhancing）58（3）DNA電化學(xué)傳感器原理電化學(xué)傳感器原理 DNA電化學(xué)傳感器

32、通常由已知序列的單鏈單鏈DNA（ssDNA，通常稱為探針）分子分子和電極電極組成。樣品中互補(bǔ)的樣品中互補(bǔ)的ssDNA 固定化固定化ssDNA dsDNA 電極表面電極表面 電信號變化電信號變化識別和測定靶基因識別和測定靶基因雜交反應(yīng)雜交反應(yīng)結(jié)構(gòu)變化結(jié)構(gòu)變化電化學(xué)反應(yīng)電化學(xué)反應(yīng)59 5. 組織電極與細(xì)胞器電極傳感器組織電極與細(xì)胞器電極傳感器 直接采用動植物組織薄片作為敏感元件的直接采用動植物組織薄片作為敏感元件的電化學(xué)傳感器稱組織電極傳感器電化學(xué)傳感器稱組織電極傳感器,其原理是其原理是利用利用動植物組織中的酶動植物組織中的酶,優(yōu)點(diǎn)是酶活性及其優(yōu)點(diǎn)是酶活性及其穩(wěn)定性均比離析酶高穩(wěn)定性均比離析酶高,

33、材料易于獲取材料易于獲取,制備簡制備簡單單,使用壽命長等。但在選擇性、靈敏度、使用壽命長等。但在選擇性、靈敏度、響應(yīng)時(shí)間等方面還存在不足。響應(yīng)時(shí)間等方面還存在不足。 60 動物組織電極主要有動物組織電極主要有:腎組織電極、肝組織電極、腎組織電極、肝組織電極、腸組織電極、肌肉組織電極、胸腺組織電極等。腸組織電極、肌肉組織電極、胸腺組織電極等。 測定對象主要有測定對象主要有:谷氨酰胺、葡萄糖胺谷氨酰胺、葡萄糖胺 6 磷酸鹽、磷酸鹽、D 氨基酸、氨基酸、H2O2、地高辛、胰島素、腺苷、地高辛、胰島素、腺苷、AMP等。等。 植物組織電極敏感元件的選材范圍很廣植物組織電極敏感元件的選材范圍很廣,包括不同

34、包括不同植物的根、莖、葉、花、果等。植物組織電極制植物的根、莖、葉、花、果等。植物組織電極制備比動物組織電極更簡單備比動物組織電極更簡單,成本更低并易于保存。成本更低并易于保存。 61 細(xì)胞器電極傳感器是利用動植物細(xì)胞器作為細(xì)胞器電極傳感器是利用動植物細(xì)胞器作為敏感元件的傳感器。敏感元件的傳感器。 細(xì)胞器是指存在于細(xì)胞內(nèi)的被膜包圍起來的細(xì)胞器是指存在于細(xì)胞內(nèi)的被膜包圍起來的微小微小“器官器官”,如線粒體、微粒體、溶酶體、如線粒體、微粒體、溶酶體、過氧化氫體、葉綠體、氫化酶顆粒、磁粒體過氧化氫體、葉綠體、氫化酶顆粒、磁粒體等等。等等。 其原理是利用細(xì)胞器內(nèi)所含的酶其原理是利用細(xì)胞器內(nèi)所含的酶(往

35、往是多往往是多酶體系酶體系)。62五、五、 生物傳感器的應(yīng)用生物傳感器的應(yīng)用 在發(fā)酵工業(yè)中的應(yīng)用在發(fā)酵工業(yè)中的應(yīng)用 在食品分析中的應(yīng)用在食品分析中的應(yīng)用 在環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用在環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用 在生物醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用在生物醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用 在軍事上的應(yīng)用在軍事上的應(yīng)用63參數(shù)參數(shù)傳感器傳感器參數(shù)參數(shù)傳感器傳感器溫度熱電偶，熱敏電阻，鉑電阻溫度計(jì)DCO2CO2電極，膜管傳感器罐壓隔膜式壓力表醇類物質(zhì)濃度膜管傳感器，生物傳感器氣體流量熱質(zhì)量流量計(jì)基質(zhì)和代謝物濃度生物傳感器攪拌轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速傳感器NH4+銨離子電極，氨電極，生物傳感器攪拌功率應(yīng)變計(jì)金屬離子濃度離子選擇性電極料液量測力傳感器排氣中氧分壓排氣中氧分壓熱磁氧分析儀氣泡接觸電極排氣中排氣中COCO2 2分壓分壓紅外氣體分析儀流加物料流量轉(zhuǎn)速傳感器，測力傳感器濁度或菌體濃度濁度或菌體濃度光導(dǎo)纖維法。等效電容法pHpH復(fù)合玻璃電極DODO復(fù)膜氧電極，膜管傳感器氧化還原電位復(fù)合鉑電極(1) (1) 在發(fā)酵工業(yè)中的應(yīng)用在發(fā)酵工業(yè)中的應(yīng)用64(2) (2) 在食品分析中的應(yīng)用在食品分析